[发明专利]基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法

说明书

本发明涉及一种基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，属于CFRP材料加工领域。本发明在飞秒激光加工CFRP的基础上，引入热防护层作为保护层，能够实现CFRP的高质量加工。首先在待加工的CFRP表面铺设由反射型防护材料和隔热型防护材料组合而成的热防护层，然后按预先设定的运动轨迹进行飞秒激光逐层扫描直写加工，加工完成后揭去铺设的热防护层，最终在CFRP材料上得到所需的高质量的槽/孔结构。这种基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，得到的加工结果无分层、毛刺、撕裂等不良现象，且同时具有极低的热影响区和极小的锥度，该方法展示出高质量加工CFRP的制造能力以及应用前景。

技术领域

本发明涉及一种基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，属于CFRP材料加工领域。

背景技术

碳纤维增强聚合物(CFRP)材料具有超高的比强度和比模量、低密度、低热膨胀、耐磨损、耐腐蚀等诸多优异的性能，其作为核心材料被应用于诸多重大工程领域，譬如航空航天、汽车制造、轨道交通、风力发电、高压电缆等等，展示出了巨大的应用空间和发展前景。

尽管CFRP材料通常在制造过程中已经近净成形，但在制件最终装配过程中仍需进行大量的切割、钻孔等加工过程。但由于其各向异性、非均质、耐磨、脆性大等特点，成为了典型的难加工材料。目前应用最为广泛的机械加工方法得到的加工结果通常会出现分层、毛刺、撕裂等等不良现象，加工质量差，严重影响CFRP材料构件后续的装配、性能和寿命；机械加工过程中刀具磨损严重，切削性能急剧退化，需要频繁更换刀具；且难以加工出高精度的微型槽/孔结构。这都严重制约了CFRP材料的制造和应用。

激光加工由于其高精度、非接触、无应力、无刀具磨损的特点，可以有效地解决目前面临的加工问题。虽然激光加工可以很大程度上解决材料分层、结构缺陷、刀具磨损等问题，但由于CFRP非均质的复合结构，碳纤维和聚合物基体的热/光学性质迥异，并且加工过程中通常需要进行多层的进给加工，使得CFRP的加工结构边缘会产生明显的热影响区(HAZ)，并且加工结果往往呈现出较大的锥度。因此，目前对于热影响区和锥度的同时优化控制仍是激光加工CFRP材料所面临的瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有方法加工CFRP材料中存在的材料分层、毛刺、刀具磨损、热损伤严重、锥度明显的问题，提出了一种基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法。本发明在飞秒激光加工CFRP的基础上，引入热防护层作为保护层，能够实现CFRP的高质量加工。首先在待加工的CFRP表面铺设由反射型防护材料和隔热型防护材料组合而成的热防护层，然后按预先设定的运动轨迹进行飞秒激光逐层扫描直写加工，加工完成后揭去铺设的热防护层，最终在CFRP材料上得到所需的高质量的槽/孔结构。这种基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，得到的加工结果无分层、毛刺、撕裂等不良现象，且同时具有极低的热影响区和极小的锥度，该方法展示出高质量加工CFRP的制造能力以及应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

由于CFRP非均质的复合结构，碳纤维和聚合物基体的热/光学性质迥异，难以实现激光高质量均匀加工。且在传统的CFRP激光直接切割/钻孔的加工过程中，激光焦点需要在厚度方向上不断地向下进给进行逐层扫描加工，因此会在CFRP材料的上表面形成尺寸逐渐放大的离焦光斑，其能量会被加工结构的边缘表面阻挡并吸收，从而对材料表面造成严重不良影响。当其能量足够大时，会导致结构边缘的碳纤维和基体材料同时发生烧蚀，从而扩宽加工结构的入口尺寸，影响最终结构的锥度；当其能量不足以同时烧蚀边缘材料时，由于基体的烧蚀阈值要低于碳纤维，会造成基体发生烧蚀而暴露出长长的碳纤维，产生严重的热损伤现象，扩大材料结构边缘的热影响区。因此在激光直接切割/钻孔CFRP的逐层扫描加工过程中，随着激光焦点的不断进给下移，加工结构的入口尺寸和边缘表面的热损伤会逐渐增加，最终得到的加工结构的热影响区和锥度均较大，加工质量差。